Énergie : caloduc oscillant, crise d’ébullition, thermoélectricité dans les liquides, friction quantique, distribution électrique

Caloduc oscillant et crise d’ébullition

Nous étudions la physique des oscillations de ménisques auto-entretenues[1] dans les capillaires qui se produisent dans les caloducs oscillants[2] afin de permettre son utilisation industrielle à grande échelle. Il s’agit d’un nouveau dispositif utilisé pour la gestion thermique des émetteurs de chaleur tels que la microélectronique de puissance utilisée par exemple dans les applications spatiales[3].

Nous collaborons avec l’équipe de S. Filippeschi de l’université de Pise (Italie). Le travail a été réalisé dans le cadre de plusieurs contrats avec le CNES, l’ESA et Airbus DS. Il a fait l’objet de plusieurs CDD (I. Nekrashevych, M. Abela) et d’un doctorat (X. Zhang, 2019-2022). La physique de l’ébullition a été étudiée en collaboration avec le CEA/DES/STMF.

Les phénomènes à micro-échelle ont été étudiés expérimentalement avec B. Cariteau dans le cadre du doctorat de C. Tecchio (2018-2022) (en collaboration avec EP/LPICM, P. Roca). Les simulations multi-échelles de l’ébullition à l’aide du logiciel libre TrioCFD sont en cours en collaboration avec G. Bois (Figure 5). Une étude de l’écoulement de l’eau dans une pile à combustible à membrane échangeuse de protons a été lancée en 2022 en collaboration avec le CEA/DRT/LITEN (B. Mathieu) et le CEA/DES/SGLS (E. Saikali et A. Bruneton) dans le cadre du doctorat de M. Rykner.

Fig. 1 Simulation TrioCFD de la croissance de bulles sur une paroi solide en ébullition (en collaboration avec G. Bois, L. Wei). La couleur indique la différence de température avec la température de saturation ; le champ vectoriel correspond à la vitesse du fluide. Une vitesse singulièrement grande à la ligne de contact triple montre la nécessité d’une approche multi-échelle.

Thermoélectricité dans les liquides complexes

Nous étudions également les phénomènes thermoélectriques dans les liquides complexes, c’est-à-dire les liquides ioniques et les nanofluides ioniques, et leurs applications dans les technologies de récupération de la chaleur perdue. Les efforts expérimentaux et théoriques soutenus par plusieurs sources de financement externes (Horizon2020 FET-Proactive, ANR et LABEX-PALM) ont non seulement permis de découvrir la nature thermoélectrique jusqu’alors peu connue de ces liquides [4], [5], [6], [7], [8], mais aussi de développer des prototypes dans les secteurs de l’automobile [9] et des énergies renouvelables (cogénération de chaleur et d’électricité dans des collecteurs solaires hybrides) [10], [11].

Friction quantique

Le sujet de la dissipation d’énergie par friction quantique rotationnelle est devenu un projet de doctorat (2022-2025), actuellement exploré par Michael Vaz ; nous avons également des réunions bimensuelles régulières avec le professeur S. Buhmann de l’université de Kassel, en Allemagne.

Réseaux électriques

Les réseaux d’énergie, appelés à être profondément transformés par la transition énergétique en cours, sont étudiés par Emile Emery dans un projet de thèse pluridisciplinaire (2022-2025) sur le réseau électrique français, où les outils de la physique statistique sont couplés à l’économie des ressources (énergie & matière), en particulier la notion d’EROI (Energy Return On [Energy] Invested). A l’échelle mondiale, suite aux travaux de plusieurs physiciens devenus économistes (Ayres, Kümmel, …), une loi de base reliant l’amélioration de l’efficacité énergétique à la consommation d’énergie a été extraite de séries historiques [12].

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[1] Zhang, X. & Nikolayev, V. S. Liquid film dynamics with immobile contact line during meniscus oscillation, J. Fluid Mech., 2021 vol. 923, A4; Zhang, X. & Nikolayev, V. S. Dewetting acceleration by evaporation, J. Fluid Mech., 2022 vol. 948, A49.
[2] Nikolayev, V. S. Physical principles and state-of-the-art of modeling of the pulsating heat pipe: A review, Appl. Therm. Eng., 2021 vol. 195, 117111.
[3] Nekrashevych, I. & Nikolayev, V. S. Pulsating Heat Pipe Simulations: Impact of PHP Orientation, Microgravity Sci. Technol., 2019 vol. 31(3), 241 – 248 ;
[4] T. J. Salez, et al., “Thermoelectricity and Thermodiffusion in Magnetic Nanofluids: Entropic Analysis,” Entropy 20, 405 [2018]
[5] T. Salez, et al., “Magnetic enhancement of Seebeck coefficient in ferrofluids,” Nanoscale Advances, 1, 2979 [2019].
[6] K. Bhattacharya, et al.,“STRUCTURAL, THERMODIFFUSIVE AND THERMOELECTRIC PROPERTIES OF MAGHEMITE NANOPARTICLES DISPERSED IN ETHYLAMMONIUM NITRATE,” Chem Engineering, 4(1) 5 [2020].
[7] I. Chikina, et al., “On the ac Measurements of the Electrical Conductivity of Dilute Colloidal Electrolytes,” Colloids Interfaces 7 58  [2023]; I. Chikina, et al., “Charged Colloids at the Metal–Electrolyte Interface,” Colloids Interfaces, 6, 25 [2022]
[8] T. Fiuza, et al., “Ion specific tuning of nanoparticle dispersion in an ionic liquid: a structural, thermoelectric and thermo-diffusive investigation,”  Phys. Chem. Chem. Phys., 25 28911 [2023]
[9] A. Tiozzo, et al., “From academia to industry: criteria for upscaling ionic liquid-based thermo-electrochemical cells for large-scale applications,” Energies, 17, 1 [2024].
[10] E. Sani, et al.,“Multifunctional Magnetic Nanocolloids for Hybrid Solar-Thermoelectric Energy Harvesting,” Nanomaterials, 11(4), 1031[2021]
[11] Patent under preparation.
[12] H. Bercegol & H. Benisty, Ecological Economics, 192, 107253 (2022)

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